(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた光電変換素子と、
前記基板上に設けられた透光性筐体であって、
平面視して前記光電変換素子の周囲を囲繞する枠部と、前記枠部上に設けられ、該枠部と前記基板とで、空間を介して前記光電変換素子を封止する蓋部と、を備える封止体と、
前記光電変換素子の上方の前記空間内であって、前記封止体の前記蓋部側に設けられた集光部材と、
を備えた、前記枠部と前記集光部材との間に位置する前記封止体の前記蓋部の下面が湾曲している透光性筐体と、を備えており、
前記集光部材は上部よりも下部が幅狭に形成され、前記集光部材と前記封止体は一体に形成されており、
前記集光部材と前記光電変換素子とが空間を介して設けられていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換装置であって、
平面視して前記光電変換素子と前記集光部材とは、重なることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光電変換装置と、前記光電変換装置上に設けられる受光部材とを備えたことを特徴とする光電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置、並びにその光電変換装置を用いる光電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光電変換素子を有する光電変換装置の開発が進められている。例示的な光電変換装置としては、太陽エネルギーを電力に変換する太陽電池装置がある。特に、発電効率の向上を目的として、集光型の太陽電池装置の開発が進められている。光電変換装置は、光エネルギーを電力エネルギーに変換する光電変換素子を有している。光電変換装置が例えば太陽電池装置の場合、光電変換素子は、太陽エネルギーを電力エネルギーに変換する太陽電池素子である（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
なお、光電変換装置は、光電変換素子上に、光電変換素子に光を集光させる集光部材が設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２７４３０１号公報
【特許文献２】特開２００８−９１４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光電変換装置の開発において、光電変換素子に対する集光部材の位置決めの精度を良好にすることで、光電変換効率を向上させることが求められている。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光電変換効率の向上に寄与することが可能な光電変換装置、並びに光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る光電変換装置は、基板と、前記基板上に設けられた光電変換素子と、前記基板上に設けられた透光性筐体であって、平面視して前記光電変換素子の周囲を囲繞する枠部と、前記枠部上に設けられ、該枠部と前記基板とで、空間を介して前記光電変換素子を封止する蓋部と、を備える封止体と、前記光電変換素子の上方の前記空間内であって、前記封止体の前記蓋部側に設けられた集光部材
と、を備えた、前記枠部と前記集光部材との間に位置する前記封止体の前記蓋部の下面が湾曲している透光性筐体と、を備えており、前記集光部材は上部よりも下部が幅狭に形成され、前記集光部材と前記封止体は一体に形成されており、前記集光部材と前記光電変換素子とが空間を介して設けられていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の第２の態様に係る光電変換モジュールは、前記光電変換装置と、前記光電変換装置上に設けられる受光部材とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光電変換効率の向上に寄与することが可能な光電変換装置、並びに光電変換モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る光電変換モジュールの概観を示す分解斜視図である。
【図２】本実施形態に係る光電変換装置、及び受光部材の断面図である。
【図３】図２に示す光電変換装置同士の接続状態を示した断面図である。
【図４】一変形例に係る光電変換装置、及び受光部材の断面図である。
【図５】一変形例に係る光電変換装置、及び受光部材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる光電変換モジュール、及び光電変換装置の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものとする。
【００１１】
＜光電変換モジュールの概略構成＞
図１は、本実施形態に係る光電変換モジュールの概観斜視図と、その一部を拡大した分解斜視図である。また、図２は、図１に示す光電変換装置、受光部材の断面図である。
【００１２】
本実施形態に係る光電変換モジュール１は、太陽光を電力に変換する太陽光発電モジュールである。また、本実施形態に係る光電変換装置２は、光を集光する光電変換素子３を含んでいる。かかる光電変換素子３は、例えば太陽光を集光して発電する機能を備えている。
【００１３】
光電変換モジュール１は、複数の光電変換装置２と、光を受光する受光部材４とを含んでいる。受光部材４は、例えばドーム形状のフレネルレンズである。受光部材４は、外部からの光を受光するとともに、受光した光を光電変換装置２に集める機能を備えている。なお、受光部材４は、例えばガラス、プラスチック又は透光性樹脂等からなる。かかる受光部材４は、フレーム部材４ａとレンズ部材４ｂとを含んでおり、レンズ部材４ｂを取り囲むようにフレーム部材４ａにて固定されている。
【００１４】
光電変換装置２は、図２に示すように、基板５と、基板５上に設けられる光電変換素子３と、基板５上に設けられ、平面視して光電変換素子３の上面を被覆するとともに、平面視して光電変換素子３の外周を取り囲む封止体６と、光電変換素子３の上面と間を開けて対向する封止体６の下面に形成される集光部材７とを有する透光性筐体８と、を含んでいる。
【００１５】
基板５は、絶縁性の基板であって、アルミナ又はムライト等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。
【００１６】
基板５上には、第１端子９が形成される。第１端子９は、隣接する光電変換装置２と電気的に接続するものである。かかる第１端子９は、平面視して基板５と重なる領域から基板５と重ならない領域にかけて設けられている。なお、第１端子９は、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルト又はクロム等の金属材料、或いはそれらの合金からなる。
【００１７】
第１端子９上には、絶縁性の支持部１０が設けられる。支持部１０は、透光性筐体８の封止体６を支持するものである。かかる支持部１０は、第１端子９上に形成され、平面視して基板５の外周に沿った領域に設けられる。なお、支持部１０は、基板５と同様に、アルミナ又はムライト等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。
【００１８】
平面視して支持部１０で囲まれる領域であって、第１端子９上には、光電変換素子３が実装される。
【００１９】
光電変換素子３は、第１端子９上に設けられ、第１端子９と電気的に接続される。光電変換素子３の第１端子９と対向する下面には、光電変換素子３の下面電極パターンが形成されている。かかる下面電極パターンが、例えば半田を介して第１端子９と電気的に接続されている。
【００２０】
また、光電変換素子３の上面には、上面電極パターンが形成されている。かかる上面電極パターンは、例えばワイヤを介して後述する支持部１０上に形成される第２端子１１と電気的に接続される。
【００２１】
光電変換素子３は、例えば、III−Ｖ族化合物半導体を含んでいる太陽電池素子である。光電変換素子３は、光起電力効果により、受けた光を即時に電力に変換して出力することができる。例示的な太陽電池素子は、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型セルの構造を有している。インジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）トップセルは、６６０ｎｍ以下の波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）ミドルセルは、６６０ｎｍ以上８９０ｎｍ以下の波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。ゲルマニウム（Ｇｅ）ボトムセルは、８９０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。３つのセルは、トンネル接合を介して直列に接続されている。開放電圧は、３つのセルの起電圧の和である。なお、光電変換素子３の一辺は、例えば３ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さである。また、光電変換素子３は、例えば０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下の厚みである。
【００２２】
ここで、第１端子９は、正極として機能する。また、第２端子１１は、負極として機能する。そして、光電変換素子３は、第１端子９又は第２端子１１を介して外部に電気を取り出すことができる。
【００２３】
第２端子１１は、支持部１０上に形成される。第２端子１１は、第１端子９と同様に、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルト又はクロム等の金属材料、或いはそれらの合金からなる。第２端子１１は、光電変換素子３の上面に形成される上面電極パターンとワイヤを介して電気的に接続される。
【００２４】
また、第２端子１１は、基板５上から延在される第１端子９と異なる方向であって、第１端子９が延在される方向に沿って延在されている。このように、第１端子９と第２端子１１とが異なる方向に基板５から延在されることで、隣接する光電変換装置２同士において、一方の光電変換装置２の第１端子９と他方の光電変換装置２の第２端子１１とを簡易に接続することができる。
【００２５】
図３は、複数の光電変換装置２を接続した状態を示す概観斜視図である。
【００２６】
隣接する光電変換装置同士の間において、一方の光電変換装置２の第１端子９と他方の光電変換装置２の第２端子１１とは、導電性接続部材１３を介して電気的に接続されている。導電性接続部材１３は、一方の光電変換装置２の第１端子９と他方の光電変換装置
の第２端子１１との間に介在される。なお、導電性接続部材１３は、例えば、銅、銀、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルト又はクロム等の導電性材料から成る。
【００２７】
ここで、第１端子９に設けられる貫通孔Ｈ１と第２端子１１に設けられる貫通孔Ｈ２とが、螺子孔として機能し、螺子を介して両者が螺子止めされる。
【００２８】
導電性接続部材１３は、一方の光電変換装置２において発電した電気を他方の光電変換装置２に伝達することができる。このようにして、光電変換装置２において発電した電気を、隣接する光電変換装置２に送ることができる。そして、光電変換モジュール１は、複数個の直列した光電変換装置２を有しており、それぞれの光電変換装置２にて発電した電気を光電変換モジュール１の端部から取り出すことができる。
【００２９】
支持部１０上には、接着部材１２を介して透光性筐体８が接続される。接着部材１２は、例えば、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シアネート樹脂、シリコン樹脂又はビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を使用することができる。また、接着部材１２は、例えば、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂又はポリフェニレンエーテル樹脂等の熱可塑性樹脂を使用することができる。さらに、接着部材１２は、例えば、銀、銅、金、アルミ二ウム又はマグネシウム等からなり、ニッケル、カドミウム又は燐等の添加物を含有させたろう材を使用することができる。
【００３０】
接着部材１２の材料は、支持部１０の熱膨張率と透光性筐体８の熱膨張率との間の大きさの熱膨張率の材料を選択することが好ましい。接着部材１２の材料として、このような材料を選択することで、支持部１０と透光性筐体８とが熱膨張するときに、両者の熱膨張率の差に起因して、両者が剥離しようとするのを抑制することができ、両者を良好に繋ぎ止めることができる。
【００３１】
透光性筐体８の封止体６は、平面視して光電変換素子３の周囲を囲繞する枠部６ａと、枠部６ａ上に設けられ、該枠部６ａと基板５とで、空間を介して光電変換素子３を封止する蓋部６ｂと、を備えている。なお、封止体６は、枠部６ａと蓋部６ｂが一体に形成されている。
【００３２】
そして、透光性筐体８の集光部材７が、封止体６の光電変換素子３と対向する下面に設けられている。封止体６と集光部材７は、両者が一体に形成されており、例えばガラス、プラスチック又は透光性樹脂等の光透過性の材料からなる。光電変換素子３を封止体６で取り囲み封止するとともに、封止体６の下面に集光部材７を設けることで、光電変換素子３を取り囲む周囲の空間の気密性を良好に維持することができる。
【００３３】
透光性筐体８の封止体６は、光電変換素子３を封止する機能を備えている。つまり、透光性筐体８で囲まれた空間ＳＰ内に位置する光電変換素子３は、基板５、支持部１０及び透光性筐体８で囲まれることで気密封止される。なお、空間ＳＰは、不活性ガスが充填されている。または、空間ＳＰは、大気よりも圧力の低い低圧状態に維持されている。
【００３４】
また、透光性筐体８の集光部材７は、受光部材４を介して透過した光を集光し、集光した光を光電変換素子３に集中させる機能を備えている。
【００３５】
集光部材７は、光電変換素子３と間を空けて配置されている。集光部材７と光電変換素子３とが空間ＳＰを介して設けられることで、集光部材７の一部が光電変換素子３と接触し、集光部材７又は光電変換素子３が損傷するのを抑制することができる。仮に、光電変換素子３が損傷すると、光電変換素子３の光電変換効率が低減することがあるが、本実施形態によれば、両者が接触しないため、光電変換素子３の光電変換効率が低減するのを抑制することができる。また、仮に、集光部材７が損傷すると、受光部材４から集光部材７を介して光電変換素子３に向かう光が損傷した箇所にて乱反射する虞があるが、本実施形態によれば、両者が接触しないため、光電変換素子３に集光する光の量が低減するのを抑制することができる。
【００３６】
集光部材７は、上部よりも下部が幅狭に形成されている。ここで、透光性筐体８において、封止体６と集光部材７との境界は、集光部材７の上部が封止体６と接続される箇所であって、集光部材７が下方に向けて漸次幅が狭くなりはじめる箇所とする。
【００３７】
集光部材７が上部よりも下部が幅狭に形成されていることで、受光部材４から光電変換装置２に向けて進行する光の屈折角度を調整し、集光部材７の側面から外部に漏れ出る光を低減することができ、集光部材７の下面から光電変換素子３に向けて多くの光を放出することができる。その結果、光電変換素子３に多くの光を当てることができ、光電変換効率を向上させることができる。
【００３８】
集光部材７と封止体６は、連続した一体ものである。集光部材７と封止体６とを一体とすることで、基板５上の所定位置に設けられた光電変換素子３に対して、集光部材７を位置決めするときに、封止体６を支持部１０上に設けるだけで、集光部材７が光電変換素子３上に位置決めされる。そのため、別途集光部材７を位置決めする工程が不要となり、製造工程を単純化することができる。
【００３９】
また、仮に集光部材７と封止体６とが別体の場合、所定位置に設けられた光電変換素子３に対して、封止体６を固定した後に、別途集光部材７を封止体６に固定する。かかる場合、集光部材７を封止体６及び光電変換素子３のそれぞれに対して、位置決めしなければならず、光電変換素子３に対する位置決め精度が所望位置から大きくずれる虞があった。一方、本実施形態によれば、集光部材７と封止体６とを一体とすることで、所定位置に設けられた光電変換素子３に対して、両者を一度に位置決めすることができる。
【００４０】
また、平面視して光電変換素子３と集光部材７とは、重なるように配置されている。光電変換素子３と集光部材７とが重なる領域を大きくすることで、集光部材７を介して光電変換素子３に集光される光の量を多くすることができる。その結果、光電変換素子３の光電変換効率を向上させることができる。
【００４１】
図２に示すように、透光性筐体８を断面視したときに、集光部材７が接続される封止体６の露出する下面の曲率半径は、例えば、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。そして、封止体６の下面が湾曲することで、熱膨張又は熱収縮の際に、封止体６が下面に沿ってなだらかに変形することにより、封止体６に加わる応力が緩和される。その結果、封止体６にクラック等が発生するのを抑制することができる。
【００４２】
光電変換装置２は、ベース基板１４に接続されている。
【００４３】
ベース基板１４は、光電変換装置２に伝わる熱を外部に放熱する機能を備えている。光電変換装置２は、受光部材４を介して伝わる光のエネルギーの一部が、熱に変換されて、発熱する。そのため、ベース基板１４は、光電変換装置２と接続されており、光電変換装置２から伝わる熱を吸収して外部に放熱する。なお、ベース基板１４は、例えばアルミ二ウム、銅又はモリブデン等の放熱機能を備えた金属材料からなる。
【００４４】
上述したように、本実施形態によれば、集光部材の位置決め精度を向上させることで、所定位置に設けた光電変換素子に対して効率良く光を集光させることができ、光電変換効率を向上させることが出来る。
【００４５】
なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
【００４６】
＜光電変換モジュールの製造方法＞
ここで、図１に示す光電変換モジュール１及び図２に示す光電変換装置の製造方法を説明する。
【００４７】
まず、基板５及び支持部１０を準備する。基板５及び支持部１０が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム及び酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して混合物を得る。
【００４８】
そして、基板５及び支持部１０の型枠内に、混合物を充填して乾燥させた後、焼結前の基板５及び支持部１０を取り出す。
【００４９】
また、タングステン又はモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。
【００５０】
そして、取り出した焼結前の基板５の上面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って第１端子９を接合するためのメタライズ層を形成する。また、焼結前の支持部１０の上面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って第２端子１１を接合するためのメタライズ層を形成する。そして、基板５及び支持部１０を、約１６００℃の温度で焼成することにより、基板５及び支持部１０をそれぞれ別々に作製することができる。
【００５１】
そして、基板５の第１端子９を接合するためのメタライズ層の上面に、第１端子９をロウ材等により接合する。また、第１端子９の上面に、支持部１０をロウ材等により接合する。さらに、支持部１０の第２端子１１を接合するためのメタライズ層の上面に、第２端子１１をロウ材等により接合する。
【００５２】
次に、基板５及び支持部１０で囲まれる領域であって、第１端子９上に光電変換素子３を実装する。そして、第１端子９と光電変換素子３の下面とを電気的に接続する。また、支持部１０上の第２端子１１から、光電変換素子３の上面に対して、ボンディングワイヤを介して電気的に接続する。
【００５３】
また、透光性筐体８を準備する。透光性筐体８は、透光性筐体８の型枠にガラス材料を充填し、冷却することで作製することができる。
【００５４】
そして、支持部１０上に半田を介して透光性筐体８を固着する。このようにして、光電変換装置２を作製することができる。
【００５５】
次に、光電変換モジュール１の作製方法について説明する。まず、複数個の光電変換装置２と、ベース基板１４を準備する。
【００５６】
ここでは、二つの光電変換装置２の接続方法について説明する。一方の光電変換装置２の第１端子９と他方の光電変換装置２の第２端子１１とが隣り合うように、両者を配置する。そして、両者を導電性接続部材１３を介して固定するとともに、固定した二つの光電変換装置２をベース基板１４上に設ける。
【００５７】
次に、ベース基板１４上に配置した二つの光電変換装置２に対して、貫通孔Ｈ１及び貫通孔Ｈ２を位置決めした後、導電性接続部材１３とともに螺子で接続する。そして、螺子を予めベース基板１４に空けた螺子孔に螺子止めする。その結果、二つの光電変換装置２をベース基板１４に対して固定することができる。
【００５８】
このようにして、光電変換装置２をベース基板１４に固定することができる。同様にして、複数個の光電変換装置２をベース基板１４に配置して固定する。そして、受光部材４を配置した複数個の光電変換装置２上に設けることで、光電変換モジュール１を作製することができる。
【００５９】
＜変形例１＞
上記実施形態では、光電変換装置２の第１端子９と第２端子１１の高さ位置が異なっていたが、これに限られない。例えば、図４に示すように、基板５上に第１端子９と第２端子１１とを間を空けて形成してもよい。第１端子９と第２端子１１を基板５の同一面上に設けることで、支持部１０を不要とすることで、光電変換装置２の上下の厚みを小さくすることができ、光電変換装置２全体を小型化することができる。
【００６０】
＜変形例２＞
上記実施形態では、光電変換装置２の支持部１０の下面の高さ位置を、集光部材７の下面の高さ位置よりも高い位置にくるように、支持部１０の長さを調整したが、これに限られない。例えば、図５に示すように、集光部材７の下面の高さ位置が、支持部１０の下面の高さ位置よりも低い位置にくるように、支持部１０ｘの長さを調整し、集光部材７の長さを長くしてもよい。
【００６１】
集光部材７を介して光電変換素子３に入射する光は、波長の強度分布が均一になるほど集光効率の低下が発生しにくくなる。そのため、支持部１０ｘの長さを長くし、支持部１０ｘの下面の高さ位置よりも低くするように、集光部材７の長さを長くすることにより、集光部材７内での光の反射を増やすことができ、光の波長の強度分布をより均一にすることができる。
【００６２】
また、仮に、集光部材７の封止体６の長さを長くすることにより、集光部材７の長さを長くした場合は、封止体６及び集光部材７が例えばガラス等の割れやすい材料を用いて一体に形成されているため、外部からの衝撃により封止体６にクラックが発生しやすくなる。一方、本変形例では、封止体６の長さを長くするよりも、支持部１０ｘの長さを長くするとともに、支持部１０ｘを封止体６よりも強度の高いアルミナ又はムライト等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等を用いることにより、封止体６にクラックが発生する虞を低減することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１  光電変換モジュール
２  光電変換装置
３  光電変換素子
４  受光部材
４ａ  フレーム部材
４ｂ  レンズ部材
５  基板
６  封止体
６ａ  枠部
６ｂ  蓋部
７  集光部材
８  透光性筐体
９  第１端子
１０  支持部
１１  第２端子
１２  接着部材
１３  導電性接続部材
１４  ベース基板
ＳＰ  空間
Ｈ１  貫通孔
Ｈ２  貫通孔
【図１】
0005393350.tif 000002
【図２】
0005393350.tif 000003
【図３】
0005393350.tif 000004
【図４】
0005393350.tif 000005
【図５】
0005393350.tif 000006